Sharp GP2Y0A41SK0F
![](/wiki/images/thumb/b/b3/SHARP_IR_Abstandssensor_GP2Y0A21YK0F.png/200px-SHARP_IR_Abstandssensor_GP2Y0A21YK0F.png.jpeg)
Autoren: Prof. Dr.-Ing. Schneider, Patricio Emiliano Hernandez Murga
Einleitung
Der GP2Y0A41SK0F gehört zu eine Serie von Entfernungsmessungssensoren von Sharp, die mit IR-Sendern und Fotodetektoren mit integriertem Signalverarbeitungsschaltkreis arbeiten. Die Sensorensind mit analogen oder geschalteten (digitalen) Ausgängen lieferbar und umfassen sowohl feste als auch variable Entfernungssensoren. Die Befestigungsarten umfassen die Zweiloch-Oberflächenbefestigung und durchkontaktierte Leiterplattenausführungen. Die abgedeckten Erfassungsreichweiten sind 3 cm bis 50 cm. Typische Anwendungen umfassen die Objekterfassung in der Automatisierung, Robotik und Kfz-Anwendungen, kontaktloses Schalten und Sicherheitssysteme.
Ausführungen mit Analogausgang erzeugen eine Ausgangsspannung bezogen auf die Entfernung. Es sind keine zusätzlichen externen Steuerschaltkreise erforderlich
Technische Daten
Messbereich | 3 cm.. 30 cm |
Messmethode | reflektiv |
Versorgungsspannung | 4.5 V .. 5.5 V |
Ausgangsspannung | 0 V .. 3.2 V |
Arbeitstemperatur | -10 °C .. +60 °C |
Abmessungen | 44,5 mm x 13 mm x 13,5 mm |
Pinbelegung
![](/wiki/images/thumb/5/51/Analog_ir_sensor_Steckplatine.png/300px-Analog_ir_sensor_Steckplatine.png)
Pin | Belegung | Farbe |
---|---|---|
1 | Ausgang | Gelb |
2 | Masse (GND) | Schwarz |
3 | Versorgungsspannung VCC | Rot |
Messverfahren
Der Primärsensor strahlt infrarotes Licht aus. Das Licht wird vom Objekt reflektiert und vom Sensor erfasst. Aus der vom Sensor erfassten Information kann dann ein Abstand d bestimmt werden. Für den Strahlenverlauf besitzt der IR Abstandsensor eine biaxiale Optik (siehe Abb. 3). Bei einer biaxialen Optik sind die optischen Achsen des Sende- und Empfangsstrahls voneinander getrennt. In der Regel liegen diese nebeneinander, um die abstandsabhängige Energie zu optimieren. Dabei besitzt die biaxiale Optik einen typsichen Verlauf (siehe Abb. 4).
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Abbildung 2: Schematischer Aufbau und Funktionsweise eines PSD-Elements. [2]
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Abbildung 3: Prinzipielles Schema beim Triangulations-, Puls-, Phasen- und Frequenzmessverfahren mit biaxialer Optik [2]
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Abbildung 4: Typischer Verlauf einer biaxialer Optik [2]
Triangulation ist ein rein geometrisches Messverfahren. Das Sender ( infrarotes LED oder IRED) erzeugt Licht und dieses wird auf dem zu detektierenden Objekt reflektiert. Das reflektierte Licht geht durch das für die Detektion verantwortliche Lens mit einem bestimmten Winkel je nach Abstand d. Die Stelle x auf dem PSD-Element ist dann abhängig von dem Eingangswinkel des Lichtes . Durch das Messen der Stelle x ergibt sich dann der Abstand d.
![](/wiki/images/thumb/2/2f/Prinzip_triangulation.png/350px-Prinzip_triangulation.png)
- – Basisabstand zwischen der optischen Achse der Sende- und der Empfangsoptik.
- – Abstand zwischen Detektionsebene und Optik
- – Schwerpunkt des Lichtflecks
- – Objektabstand
Interne Signalverarbeitung
![](/wiki/images/thumb/c/ca/Schaltung_GP2Y0A21YK0F.png/400px-Schaltung_GP2Y0A21YK0F.png)
Das Sensorsystem verarbeitet die Entfernung gemäß der Kennlinie in Abb. XX zu einer Analogen Spannung. Laut Datenblatt entstehen zyklische Verarbeitungsfehler, so dass es zu instabilen Ausgangsspannungen kommt, die gefiltert werden müssen.
Funktionsprinzip des positionsempfindlichen Detektors
Ein positionsempfindlicher Detektor funktioniert ähnlich wie eine normale Photodiode. Das Licht auf dem aktiven Gebiet des PSD generiert einen Photostrom. Dieser Photostrom fließt in Richtung des p- und n-Gebietes ab. Der PSD kann drei bis fünf Kontakte je nach Dimensionen haben. Beim IR Abstandsensor GP2Y0A21YK0F befindet sich ein eindimensionaler PSD. Daher besitzt er drei Kontaktierungen. Durch die erste Kontaktierung fließt ein gesamter Strom I. Durch die anderen zwei Leitungen kommt es zu einer Aufteilung des Photostromes unter den Kontakten. Diese Aufteilung ist proportional zu der Position des Schwerpunkts des Lichtflecks.
Im Gegensatz zu Pixelelementen (CCD) ist bei positionsempfindlichen Detektoren die Auflösung nicht durch die Pixelgroße begrenzt und es ist keine aufwendige Analyse durch einen Computer nötig. Darüber hinaus sind bei positionsempfindlichen Detektoren Parameter wie Form, Große und Intensivitätsverteilung des Lichtflecks unbedeutend. Denn der Schwerpunkts des Lichtflecks gibt seine Position an. Für den IR-Abstandsensor wird ein PSD benutzt, um die Messgröße, das reflektierte infrarote Licht, in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die innere integrierte Schaltung vom Sensor ( distance measuring IC) übernimmt sowohl die Lichterzeugung mittels des IREDs als auch die Umwandlung des vom PSD empfangenen infraroten Lichtes in ein analoges Signal. Das analoge Signal kann einen Wert von 0 V bis 5 V besitzen. Daher wird kein Verstärker benötigt, um das Signal zu verarbeiten. Es wird alles von der integrierten Schaltung des IR-Abstandssensors unternommen.
Die integrierte Schaltung liefert in Zeitspannen von 28,7 ms bis 47,9 ms einen analogen Wert. Dabei ist zu beachten, dass die allererste Messung als instabil gilt und daher die zweite Messung als die erste zu sehen ist. Darüber hinaus ist auch zu beachten, dass die integrierte Schaltung des IR-Abstandssensors eine Zeitverzögerung von 5 ms (maximal) zwischen den Messungen hat. Der Abstandsensor IR der Sharp GP2-Familie funktioniert nach dem Triangulationsprinzip. Er besitzt einen integrierten positionsempfindlichen Detektor (PSD), und einem IRED Infrarotlich emitierende Diode (IRED). Die IRED strahlt ein infrarotes Licht aus, welches von dem zu detektierenden Objekt reflektiert wird. Das reflektierte Licht geht durch das Detektionslens und wird von dem PSD-Element empfangen. Der Abstand zum Objekt wird dann abhängig vom Schwerpunkt des Lichtflecks berechnet. Durch das geometrischen Triangulationsverfahren kann der Abstand zu dem zu detektierenden Objekt berechnet werden.
Ermittlung der Position
Die Position wird durch die Bildung der Stromdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Kontakten ermittelt (siehe Abb. 2).
Um die Differenz der Verteilung des gesamten Photostromes unabhängig der Intensität von der einfallenden Lichtintensität zu bilden, wird ein Verhältnis daraus gebildet:
Durch die folgende Gleichung lässt sich dann die Lage des Schwerpunkts des Lichtes auf der aktiven Fläche des PSD ermitteln:
Optik
Messprinzip der Triangulation
Analog-Digital-Umsetzer des Arduino
![](/wiki/images/thumb/6/67/Ein_Analog_Digital_Umsetzer.png/300px-Ein_Analog_Digital_Umsetzer.png)
Um das analoge Signal digital zu verarbeiten, kommt ein Analog-Digital-Umsetzer (ADU, auch bekannt als AD-Wandler) zum Einsatz. Durch den ADU wird die Amplitude des analogen Signals quantisiert. Dabei wird das am Eingang des ADU anliegende analoge Signal in eine ganze Zahl umgerechnet und in binäre Darstellung an den N digitalen Ausleitungen ausgegeben. Die Auflösung des AD-Wandlers wird durch die Anzahl N an Bits ermittelt (siehe Abbildung 6) .
Als erstes findet das sogenannte Sampling statt. Dies bezeichnet das Verfahren zur Entnahme von Verstärkungswerten des analogen Signals in diskreten Zeitintervallen. Danach werden numerische Werte zu den getesteten Verstärkungswerten zugewiesen. Nach ihrer Quantisierung werden die Verstärkungswerte anhand eines Encoders kodiert. Im Fall vom Arduino Uno ist ein 10-Bit AD-Wandler vorhanden. Das bedeutet, dass eine Menge von 1024 Werten mit dem an Arduino verbauten AD-Wandler diskretisiert werden können. Bei dem Fall von Arduino Uno besitzen die Quantisierungsstufen eine Höhe von .
Signalvorverarbeitung auf einem Mikrocontroller
Kennlinie
Dadurch dass der IR-Abstandssensor ein analoges Signals liefert, muss zu jedem Spannungswert ein Abstand zugewiesen werden. Dies erfolgt anhand einer Kennlinie. Die Kennlinie des IR-Abstandssensors GP2Y0A21YK0F kann im Datenblatt [4] gefunden werden (siehe Abbildung 7). Seine Kennlinie entspricht der allgemeinen Kennlinie eines Triangulationssensors mit einer biaxialen Optik. Dabei gibt es kein monoton wachsendes oder fallendes Verhalten über den gesamten Messbereich. Daraus folgt, dass einer Spannung mehrere Abstände zugeordnet werden. Dadurch kann eine Verfälschung von Daten vorkommen.
Um dieses Verhalten zu bekämpfen, kann die umgekehrte Zahl jedes Elements des Messbereichs gebildet werden. Danach werden diese neuen Werte zu den Ausgangswerten des Sensors zugeordnet (siehe Abbildung 8). Diese neue Kennlinie kann in Simulink bei einer Look-Up-Tabelle benutzt werden. Dabei ist der Eingabewert der Rohwert aus dem analogen Pin und die Ausgabe ist der Abstand. Das lässt sich nur dann anwenden, wenn die ursprüngliche Kennlinie aus der Kalibration über den gesamten Bereich monoton wachsend ist. (Siehe Umkehrfunktion).
-
Abbildung 7: Kennlinie aus Datenblatt [4]
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Abbildung 8: Kennlinie aus Datenblatt (umgekehrte Elemente der Abstände)[4]
Für die Neukalibrierung der Kennlinie muss beachtet werden, dass der Sensor mit reflektiertem Licht arbeitet. Am besten sollte in der gleichen Umgebung neukalibriert werden, in dem der Sensor im Betrieb gesetzt wird. Das für diese Hausarbeit benutzte Exemplar des IR Abstandssensors GP2Y0A21YK0F wurde mit zwei unterschiedlichen Oberflächenfarben und mit zwei unterschiedlichen Umgebungsbeleuchtungen kalibriert.
Median-Filter für die Störungen
Kalibrierung
Kalibrierung mit heller Umgebungsbeleuchtung
![](/wiki/images/thumb/5/58/Erste_Messung.png/400px-Erste_Messung.png)
Abstand in cm | Analoge 10-Bit-Rohewerte Schwarz | Analoge 10-Bit-Rohewerte Weiss |
---|---|---|
6 |
625 |
625 |
10 |
527 |
499 |
15 |
364 | 349 |
20 |
274 |
270 |
25 |
224 |
220 |
30 |
189 | 185 |
40 |
142 |
142 |
50 |
116 |
118 |
![](/wiki/images/thumb/0/00/Erste_Messung_u.png/400px-Erste_Messung_u.png)
Umgekehrter Abstand in 1/cm | Abstand in cm | Analoge 10-Bit-Rohewerte Schwarz | Analoge 10-Bit-Rohewerte Weiss |
---|---|---|---|
0.02 |
50 | 116 |
118 |
0.025 |
40 | 142 |
142 |
0.0333 |
30 | 189 | 185 |
0.04 |
25 | 224 |
220 |
0.05 |
20 | 274 |
270 |
0.0667 |
15 | 364 | 349 |
0.1 |
10 | 527 |
499 |
0.1667 |
6 | 625 |
625 |
Kalibrierung mit dunkler Umgebungsbeleuchtung
![](/wiki/images/thumb/c/c4/Zweite_Messung.png/400px-Zweite_Messung.png)
Abstand in cm | Analoge 10-Bit-Rohewerte Schwarz | Analoge 10-Bit-Rohewerte Weiss |
---|---|---|
6 |
624 |
624 |
10 |
530 |
526 |
15 |
363 | 352 |
20 |
274 |
265 |
25 |
219 |
220 |
30 |
185 | 185 |
40 |
138 |
142 |
50 |
110 |
118 |
![](/wiki/images/thumb/e/eb/Zweite_Messung_u.png/400px-Zweite_Messung_u.png)
Umgekehrte Abstand in 1/cm | Abstand in cm | Analoge 10-Bit-Rohewerte Schwarz | Analoge 10-Bit-Rohewerte Weiss |
---|---|---|---|
0.02 |
50 | 110 |
118 |
0.025 |
40 | 138 |
142 |
0.0333 |
30 | 185 | 185 |
0.04 |
25 | 219 |
220 |
0.05 |
20 | 274 |
265 |
0.0667 |
15 | 263 | 352 |
0.1 |
10 | 530 |
526 |
0.1667 |
6 | 624 |
624 |
Hardwareaufbau
Schaltung des IR-Abstandssensors GP2Y0A21YK0F
![](/wiki/images/thumb/c/ca/Schaltung_GP2Y0A21YK0F.png/400px-Schaltung_GP2Y0A21YK0F.png)
Anschlussplan
Literatur
[1] Schönfelder, G.; Hering, E.: Sensoren in Wissenschaft und Technik. Wiesbaden: Viewg+Teubner, 2012,S. 166-171 ISBN 978-3-8348-0169-2
[2] Wüst, K.: Mikroprozessortechnik: Grundlagen, Architekturen, Schaltungstechnik und Betrieb von Mikroprozessoren und Mikrocontrollern. Wiesbaden: Viewg+Teubner-Verlag, 11. Auflage 2011, S. 267-368. ISBN:978-3-8348-0906-3
[3] Sharp: Datasheet GP2Y0A21YK0F. URL: https://global.sharp/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/gp2y0a21yk_e.pdf
Datenblatt
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